【粉塵在線監測】技術在TRT機組中的應用
2015-06-06 10:03:07 admin
【摘 要】 通過對TRT機組安全運行條件的調研，制系統·，對機組的運行起到很好的預報警作用。將高爐煤氣粉塵在線監測技術應用于TRT 機組控
【關鍵詞】 粉塵在線監測 光學技術摩擦電傳感技術 電荷感應技術
一、粉塵在線監測儀應用的重要性和必要性
TRT機組的工藝介質是高爐煤氣，其工作的原理是利用高爐煤氣的壓力能和熱能通過煤氣透平驅動機組進行發電，而高爐煤氣含塵量很高，必須經過除塵處理才能使用。通常高爐煤氣除塵有干法和濕法兩種方式。高爐煤氣粉塵含量的大小，對TRT機組葉片的安全運行有著至關重要的影響，通常TRT機組要求煤氣的含塵量為<5mg／m ，含塵量過大將對TRT機組的葉片造成嚴重的磨損，嚴重影響機組的安全運行。而高爐煤氣除塵器由于長時間的工作，將會出現布袋破損和除塵效果降低的現象，這樣進入機組的高爐煤氣含塵量超標，也就是說TRT機組由于布袋除塵器的長周期運轉出現的不安全工況也將會隨時發生，為了保證TRT機組的安全，必須及時了解高爐煤氣的含塵量的大小，了解高爐煤氣除塵器的工作狀態，了解TRT機組的運行環境，及時判斷TRT機組的工作狀態，故在TRT機組控制系統中設置高爐煤氣粉塵在線監測系統非常必要。
二、目前粉塵在線監測儀的幾種方法
粉塵質量含量測量屬氣固兩相流范疇，由于多相流固有的復雜性，使得其成為困難的測量領域。通過世界各國科學家不斷地努力，傳統上主要產生出兩種測量技術：光學和摩擦電技術，但由于受技術的制約，測量結果受諸多因素影響，一直不能徹底滿足實際的測量需要。光學技術產品由于其光學鏡頭易受污染，因此需要頻繁的清潔維護，維護工作量大；測量結果也受粉塵顏色、溫度變化等因素影響，并且不能測量低含量粉塵。摩擦電傳感技術，利用粉塵和傳感器探頭等的摩擦產生出靜電，來進行粉塵含量測量，是一種接觸式測量方式。由于諸多因素，如：① 粉塵在探頭表面的黏附、凝集、結露、水分、干燥。②腐蝕、高溫、金屬 E金屬性。③粉塵流速、尺寸、分布等變化。它們均影響摩擦效果，導致對測量結果產生致命的影響，因而無法定量精確測量。并且安裝調試、標定、維護都很困難，零點漂移嚴重。因此目前國際上，通常只用來進行定性粗略測量(而且必須工作在無以上因素影響的“理想”環境下)或簡單地檢測是否有粉塵出現，更無穩定、直接以mg／m 為單位的數據輸出。由于傳感原理所限，即使是美國、德國等發達國家的摩擦電產品，也無法徹底克服以上問題。也曾有公司采用摩擦電技術進行粉塵含量精確測量，由于必須增加探頭吹掃裝置和其他抗干擾措施，故測量系統顯得龐雜而昂貴， 目前仍然沒有完全克服全部影響因素，測量結果不可靠。美國菲特費爾升公司DMC70粉塵在線監測儀是目前全球最新技術產品，它采用專有的電荷感應技術進行粉塵質量含量測量，徹底解決了以往采用“光學”或“摩擦電”技術產品無法克服的困難，正在世界各地市場迅速淘汰以上技術產品。美國菲特費爾升公司的DMC70粉塵在線監測儀，采用非接觸式“電荷感應”測量方式，如圖所示
電荷感應：當微粒流過插入到管道或煙道的探頭附近時，基于微粒內部電子(即電荷)，小電信號在探頭中被感應出來。數字信號處理器轉換此感應信號，成為一個線性比例于微粒質量含量的絕對輸出值。
圖非接觸式電荷感應測量方式
其基于量子物理原理，即任何物質(如：粉塵)內部(微觀上)均帶有電荷(非常少，通常為皮安級)當粉塵通過傳感器探頭附近時，EM070C粉塵在線監測儀的“電荷感應”傳感器探頭，能根據通過其附近的(并不依賴粉塵和探頭的接觸)粉塵內部電荷大小和粉塵的分布情況，在傳感器探頭巾感應出電信號，此電信號和粉塵質量含量存在直接的數學關系：iac 質量含量。通過對此電信號進一一步放大、運算處理，從而精確測量出粉塵含量(Illg／Ill )。因此電荷感應技術測量結果不受探頭表面黏附、凝集、結露、水分、干燥、粉塵流速、尺寸、分布等變化影響，并且無需維護。
三、電荷感應和摩擦電技術的比較
電荷感應技術與傳統的摩擦靜電檢測技術相比，其最根本的不同點是：電荷感應技術是通過探頭附近微粒內部電子(電荷)，在探頭中感應出相關電信號，是一種非接觸式測量方式，且信號和微粒質量含量存在著直接對應關系；摩擦靜電技術是通過微粒和探頭等的碰撞摩擦，在探頭內產生相關電信號，是接觸式測量方式，且信號和微粒質量含量無直接的對應關系。由于摩擦靜電技術依賴接觸測量方式，無法在探頭表面增加保護層以使微粒／氣體和探頭傳感器芯之間隔離，導致測量值受微粒堆積、凝聚、結露、水分、干燥、微粒特性、微粒速度等眾多因素影響，無法完成準確、可靠的測量，并且安裝調試、標定、維護工作量大，故目前正逐漸被淘汰。而電荷感應技術由于是非接觸式測量，完全避免了以上因素和其他因素影響，具有極大的先進性，并直接輸出以PA(mg／m )為單位的測量值。電荷感應技術具有更高的分辨率和精度、可測更低的含量，可使用在潮濕或干燥的環境下，不受微粒特性、速度影響，不受探頭上微粒堆積影響，不需現場標定和維護。與摩擦電技術主要特點和下表所示。
表 電荷感應和摩擦電技術主要特點對照
四、應用情況
根據對以上幾種在線監測技術的比較，以及對其市i 、2OO5年第7期場占有率的調研分析， 目前全國最大的除塵設備廠的控制系統粉塵在線監測均采用這種電荷感應技術，通過對他們的十幾年的使用情況和其最終用戶的追蹤調查和調研，普遍認為該產品技術含量高，運行穩定可靠，適用范圍廣。根據以上情況的分析，在TRT機組控制系統中增加高爐煤氣粉塵在線監測功能，并且采用這種高技術含量的電荷感應技術，同時也與高爐煤氣除塵器控制系統進行信號聯系，將其重要的控制檢測信號引入TRT機組控制系統進行報警，能夠做到在TRT機組的運行過程及時地了解其上游設備地運行情況，對機組的運行起到很好的預警作用。該技術已在津西鋼廠二合一TRT機組中進行了應用，將在以后不斷的應用中改進完善。
對以上數據進行分析，可以得出1號、2號燒結機的生產基本是穩定的。同樣的運行速度，不同的臺車寬度使其產量產生差別，2號燒結機1 500ram的臺車能夠與1號燒結機1 400ram的臺車以相同速度運行生產，這樣就使得寬臺車的邊緣效應得以減弱，擴大的燒結面積發揮了作用，就使產量得到提高，帶來可觀效益。效益計算：改造后正常生產的實際月產量比改造前增加4％，約5 000t，年增產為：12月×5 ooot／)~=60 000t。
燒結礦的噸礦利潤為：18元／t
年效益為18元／t×6O 000t=108萬元。
投資回收期21萬元／108萬元／a×12月／a=2．3月，
只需2．3個月即可收回投資。對1號燒結機主抽煙風機進行了同樣的改造，效果仍然不錯。將該改造項目推廣到山西長治鋼廠的一號機組運行一年多，比D2500改D2800效果提高顯著，又在另兩臺機組實行，現已付實施。通過以上事實證明圓弧加錐體圓弧逼近三元流動理論的設計方法確實可行，它的優點在于易實現性。應在推廣應用過程中進一步證實完善這一方法，使該設計方法住風機葉輪設計中起到應有的作用。
【關鍵詞】 粉塵在線監測 光學技術摩擦電傳感技術 電荷感應技術
一、粉塵在線監測儀應用的重要性和必要性
TRT機組的工藝介質是高爐煤氣，其工作的原理是利用高爐煤氣的壓力能和熱能通過煤氣透平驅動機組進行發電，而高爐煤氣含塵量很高，必須經過除塵處理才能使用。通常高爐煤氣除塵有干法和濕法兩種方式。高爐煤氣粉塵含量的大小，對TRT機組葉片的安全運行有著至關重要的影響，通常TRT機組要求煤氣的含塵量為<5mg／m ，含塵量過大將對TRT機組的葉片造成嚴重的磨損，嚴重影響機組的安全運行。而高爐煤氣除塵器由于長時間的工作，將會出現布袋破損和除塵效果降低的現象，這樣進入機組的高爐煤氣含塵量超標，也就是說TRT機組由于布袋除塵器的長周期運轉出現的不安全工況也將會隨時發生，為了保證TRT機組的安全，必須及時了解高爐煤氣的含塵量的大小，了解高爐煤氣除塵器的工作狀態，了解TRT機組的運行環境，及時判斷TRT機組的工作狀態，故在TRT機組控制系統中設置高爐煤氣粉塵在線監測系統非常必要。
二、目前粉塵在線監測儀的幾種方法
粉塵質量含量測量屬氣固兩相流范疇，由于多相流固有的復雜性，使得其成為困難的測量領域。通過世界各國科學家不斷地努力，傳統上主要產生出兩種測量技術：光學和摩擦電技術，但由于受技術的制約，測量結果受諸多因素影響，一直不能徹底滿足實際的測量需要。光學技術產品由于其光學鏡頭易受污染，因此需要頻繁的清潔維護，維護工作量大；測量結果也受粉塵顏色、溫度變化等因素影響，并且不能測量低含量粉塵。摩擦電傳感技術，利用粉塵和傳感器探頭等的摩擦產生出靜電，來進行粉塵含量測量，是一種接觸式測量方式。由于諸多因素，如：① 粉塵在探頭表面的黏附、凝集、結露、水分、干燥。②腐蝕、高溫、金屬 E金屬性。③粉塵流速、尺寸、分布等變化。它們均影響摩擦效果，導致對測量結果產生致命的影響，因而無法定量精確測量。并且安裝調試、標定、維護都很困難，零點漂移嚴重。因此目前國際上，通常只用來進行定性粗略測量(而且必須工作在無以上因素影響的“理想”環境下)或簡單地檢測是否有粉塵出現，更無穩定、直接以mg／m 為單位的數據輸出。由于傳感原理所限，即使是美國、德國等發達國家的摩擦電產品，也無法徹底克服以上問題。也曾有公司采用摩擦電技術進行粉塵含量精確測量，由于必須增加探頭吹掃裝置和其他抗干擾措施，故測量系統顯得龐雜而昂貴， 目前仍然沒有完全克服全部影響因素，測量結果不可靠。美國菲特費爾升公司DMC70粉塵在線監測儀是目前全球最新技術產品，它采用專有的電荷感應技術進行粉塵質量含量測量，徹底解決了以往采用“光學”或“摩擦電”技術產品無法克服的困難，正在世界各地市場迅速淘汰以上技術產品。美國菲特費爾升公司的DMC70粉塵在線監測儀，采用非接觸式“電荷感應”測量方式，如圖所示
電荷感應：當微粒流過插入到管道或煙道的探頭附近時，基于微粒內部電子(即電荷)，小電信號在探頭中被感應出來。數字信號處理器轉換此感應信號，成為一個線性比例于微粒質量含量的絕對輸出值。
圖非接觸式電荷感應測量方式
其基于量子物理原理，即任何物質(如：粉塵)內部(微觀上)均帶有電荷(非常少，通常為皮安級)當粉塵通過傳感器探頭附近時，EM070C粉塵在線監測儀的“電荷感應”傳感器探頭，能根據通過其附近的(并不依賴粉塵和探頭的接觸)粉塵內部電荷大小和粉塵的分布情況，在傳感器探頭巾感應出電信號，此電信號和粉塵質量含量存在直接的數學關系：iac 質量含量。通過對此電信號進一一步放大、運算處理，從而精確測量出粉塵含量(Illg／Ill )。因此電荷感應技術測量結果不受探頭表面黏附、凝集、結露、水分、干燥、粉塵流速、尺寸、分布等變化影響，并且無需維護。
三、電荷感應和摩擦電技術的比較
電荷感應技術與傳統的摩擦靜電檢測技術相比，其最根本的不同點是：電荷感應技術是通過探頭附近微粒內部電子(電荷)，在探頭中感應出相關電信號，是一種非接觸式測量方式，且信號和微粒質量含量存在著直接對應關系；摩擦靜電技術是通過微粒和探頭等的碰撞摩擦，在探頭內產生相關電信號，是接觸式測量方式，且信號和微粒質量含量無直接的對應關系。由于摩擦靜電技術依賴接觸測量方式，無法在探頭表面增加保護層以使微粒／氣體和探頭傳感器芯之間隔離，導致測量值受微粒堆積、凝聚、結露、水分、干燥、微粒特性、微粒速度等眾多因素影響，無法完成準確、可靠的測量，并且安裝調試、標定、維護工作量大，故目前正逐漸被淘汰。而電荷感應技術由于是非接觸式測量，完全避免了以上因素和其他因素影響，具有極大的先進性，并直接輸出以PA(mg／m )為單位的測量值。電荷感應技術具有更高的分辨率和精度、可測更低的含量，可使用在潮濕或干燥的環境下，不受微粒特性、速度影響，不受探頭上微粒堆積影響，不需現場標定和維護。與摩擦電技術主要特點和下表所示。
表 電荷感應和摩擦電技術主要特點對照
| 電荷感應和探頭保護技術與摩擦靜電傳導技術主要特點對照 | ||
| 內容 | 電荷感應和探頭保護 | 摩擦靜電傳導 |
| 探頭 | 隔離保護 | 未隔離保護 |
| 測量方式 | 非接觸（探頭金屬導電層不必和微粒直接接觸） | 接觸（探頭金屬導電層必須和微粒直接接觸） |
| 探頭電信號的產生 | 通過非接觸感應方式。根據微粒電荷和微粒的分布情況直接在探頭內感應出電信號。 | 通過微粒和探頭金屬層的接觸撞擊，將電荷傳導到探頭內產生電信號。 |
| 導電性微粒 | 可以測量 | 不可以測量 |
| 潮濕氣體粉塵 | 可以測量 | 不可以測量 |
| 測量結果單位 | 精確連續測量質量含量，測量結果以pA（mg/m3）為單位、 4—20 mA連續輸出信號。 | 通常只能定性粗略測量，不能測量出質量含量，無以mg/m3為單位的輸出信號，只輸出無測量單位的電壓/電流/百分比信號（除非在現場進行等速取樣法標定）。 |
| 線性 | 測量信號與質量含量直接線性關系 | 測量信號與質量含量非直接線性關系 |
| 分辨率 | 高 | 低 |
| 低含量測量 | 可以，可測低至0.1 mg/m3的含量。 | 不可以 |
| 對脈沖噴吹布袋除塵系統 | 可同時測量和解析出粉塵含量基數值（波谷值）、尖峰值（波峰值）。 | 無法同時測量和解析出粉塵含量基數值（波谷值）、尖峰值（波峰值）。 |
| 低含量測量 | 可以，可測低至0.1 mg/m3的含量。 | 不可以 |
| 零點漂移 | 沒有 | 十分嚴重 | |
| 影響 | 完全不受右表格內因素影響 | 探頭受： 粘附、堆積；濕氣體、凝集、結露、干燥；導電性粉塵；腐蝕； 高溫、高壓；粉塵速度、尺寸、分布；震動等因素導致的短路或其它影響。 |
|
| 報警值設定 | 直接以mg/m3為單位任意設定報警值（如設定10 mg/m3報警） | 不能以mg/m3為單位設置報警值 | |
| 報警 | 滿足美國EPA（美國環保暑）法規要求的基數值和峰值兩級報警。無誤報警、漏報警。 | 無美國EPA（美國環保暑）法規要求的基數值和峰值兩級報警。經常誤報警、漏報警。 | |
| 探頭設計 | 無源設計 | 有源設計 | |
| 探頭吹掃 | 不需要 | 一般均需要 | |
| 信號接地 | 不需要專門接地 | 需要專門接地 | |
| 探頭防爆 | 本安防爆 | 非防爆 | |
| 維護 | 免維護 | 需要 | |
| 損耗 | 沒有 | 有 | |
| 備品備件 | 不需要 | 需要 | |
| 安裝地點 | 無特殊要求 | 有直管段等特殊要求 | |
| 技術前景 | 最新技術 | 淘汰技術 | |
| 兩種技術的簡單判斷辦法（推薦給用戶鑒別用） | |||
| 探頭表面是否有厚實隔離保護層 | 有，完全隔離。 | 沒有或只有薄涂覆層，沒有完全隔離。 | |
| 是否需要吹掃？ | 不需要 | 需要 | |
| 是否需要維護？ | 免維護 | 需要維護 | |
| 是否有接地和安裝條件（如直管段）要求 | 沒有 | 有且必須。 | |
| 是否能用于潮濕氣體？ | 可以 | 不可以 | |
| 是否能用于金屬性粉塵？ | 可以 | 不可以 | |
| 探頭是否本安防爆？ | 是 | 不是 | |
四、應用情況
根據對以上幾種在線監測技術的比較，以及對其市i 、2OO5年第7期場占有率的調研分析， 目前全國最大的除塵設備廠的控制系統粉塵在線監測均采用這種電荷感應技術，通過對他們的十幾年的使用情況和其最終用戶的追蹤調查和調研，普遍認為該產品技術含量高，運行穩定可靠，適用范圍廣。根據以上情況的分析，在TRT機組控制系統中增加高爐煤氣粉塵在線監測功能，并且采用這種高技術含量的電荷感應技術，同時也與高爐煤氣除塵器控制系統進行信號聯系，將其重要的控制檢測信號引入TRT機組控制系統進行報警，能夠做到在TRT機組的運行過程及時地了解其上游設備地運行情況，對機組的運行起到很好的預警作用。該技術已在津西鋼廠二合一TRT機組中進行了應用，將在以后不斷的應用中改進完善。
對以上數據進行分析，可以得出1號、2號燒結機的生產基本是穩定的。同樣的運行速度，不同的臺車寬度使其產量產生差別，2號燒結機1 500ram的臺車能夠與1號燒結機1 400ram的臺車以相同速度運行生產，這樣就使得寬臺車的邊緣效應得以減弱，擴大的燒結面積發揮了作用，就使產量得到提高，帶來可觀效益。效益計算：改造后正常生產的實際月產量比改造前增加4％，約5 000t，年增產為：12月×5 ooot／)~=60 000t。
燒結礦的噸礦利潤為：18元／t
年效益為18元／t×6O 000t=108萬元。
投資回收期21萬元／108萬元／a×12月／a=2．3月，
只需2．3個月即可收回投資。對1號燒結機主抽煙風機進行了同樣的改造，效果仍然不錯。將該改造項目推廣到山西長治鋼廠的一號機組運行一年多，比D2500改D2800效果提高顯著，又在另兩臺機組實行，現已付實施。通過以上事實證明圓弧加錐體圓弧逼近三元流動理論的設計方法確實可行，它的優點在于易實現性。應在推廣應用過程中進一步證實完善這一方法，使該設計方法住風機葉輪設計中起到應有的作用。
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